JP4242190B2 - 酸素マイナスイオン発生装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素マイナスイオンを発生させる酸素マイナスイオン発生装置に関する。本発明に係る酸素マイナスイオン発生装置は、例えば磁気デバイスの酸化プロセス、あるいは半導体製造の酸化プロセスやレジスト剥離、あるいはディスプレイデバイス用の透明導電膜に対する酸化プロセス、あるいは化学分野での殺菌等に適用することができる。
【0002】
【従来の技術】
近年、真空中に設置した導電性電極が付着された固体電解質からなる酸素マイナスイオン放出部材を加熱した状態で、酸素ガスを導入して前記電極に接地電位に対してマイナス(負電位)の電圧を印加することによって、酸素マイナスイオン放出部材から酸素のマイナスイオン(O-)を発生させる構成の酸素マイナスイオン発生装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
また、上記特許文献1における酸素マイナスイオン放出部材を加熱する加熱手段の他の例として、図2に示すような酸素マイナスイオン発生装置もある。
【0004】
図2に示す酸素マイナスイオン発生装置100は、先端側を封止する円板状の酸素マイナスイオン放出部1aを有する円筒状の固体電解質からなる酸素マイナスイオン発生部材1を備えており、その基端側のツバ部1bが、イオン発生容器2の先端側開口部にOリング3を介して密着保持されている。酸素マイナスイオン発生部材1として、この酸素マイナスイオン発生装置100では固体電解質としてのアルミナ・カルシウム((CaO)12(Al2O3)7)を用いている。固体電解質からなる酸素マイナスイオン放出部1aを有する酸素マイナスイオン発生部材1は多数の微細孔を有しており、酸素マイナスイオンの充填と透過を行うことができる。
【0005】
酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(イオン発生容器2内側)には、導電性の金属からなる電極4が、液状ペーストを塗布焼成するかあるいは真空中で蒸着することによって付着されている。電極4は、0.5μm〜1μmの厚みからなる白金、金、ランタン、マーガネットなどの金属で形成されており、多数の微細孔を有している。電極4には、導線5を介して直流電源6が接続されており、直流電源6から負極性(マイナス)の直流電圧が印加される。また、酸素マイナスイオン放出部1aの電極4と反対側(表面側)の前方には、数mmの隙間を設けて多数の微細孔を有する円板状の引出し電極7が支持部材8で支持されて設置されている。
【0006】
引出し電極7は接地(グランド電位)されているので、酸素マイナスイオン放出部1aの電極4の電位(マイナス電位)に対してプラス(正)電位となる。よって、酸素マイナスイオン放出部1aで発生する負電荷の酸素マイナスイオンは、引出し電極7側に向けて放出される。なお、酸素マイナスイオン発生部材1の外側と引出し電極7を設置した空間は、高真空に保持された真空チャンバー21内の一部を構成している。
【0007】
酸素マイナスイオン発生部材1の内側には、その内側と数mmの隙間を設けて円柱状の石英柱9が設置されており、石英柱9の先端側(酸素マイナスイオン放出部1a側)は酸素マイナスイオン放出部1aと数mmの隙間を有している。石英柱9の後端側は、真空容器2の後端側開口部にOリング10を介して密着保持されており、石英柱9の後端部はイオン発生容器2の外側に露出している。
【0008】
石英柱9の後端部近傍には、ヒータ電源11が接続されたハロゲンランプ12が設置されており、ハロゲンランプ12の周囲にはリフレクター13が設置されている。リフレクター13は、ヒータ電源11からの通電によりハロゲンランプ12が発熱して発せられる赤外光Aが石英柱9の内周面で全反射を繰り返しながら伝達されて、酸素マイナスイオン放出部1aの背面に形成した電極7表面に効率よく入射するような曲面形状に形成されている。
【0009】
イオン発生容器2に設けた酸素ガス導入口2aには、バルブ14a、ガス流量調節器15、バルブ14bを有するガス導入配管16介して酸素ボンベ17が接続されている。また、イオン発生容器2に設けた排気口2bには、バルブ18を有する排気配管19を介して排気ポンプ20が接続されている。
【0010】
従来例における酸素マイナスイオン発生装置100は上記のように構成されており、酸素マイナスイオンを発生させる際には、ヒータ電源11からの通電によりハロゲンランプ12を発熱させる。そして、発熱によってハロゲンランプ12から輻射された赤外光Aはリフレクター13の内面で反射して、石英柱9の内周面で全反射を繰り返しながら伝達されて酸素マイナスイオン放出部1aの背面に形成した電極4に効率よく入射し、電極4と共に酸素マイナスイオン放出部1aを加熱する。この加熱によって酸素マイナスイオン放出部1aの背面側は800℃程度となる。
【0011】
この際、排気ポンプ20を駆動してイオン発生容器2内を真空排気した状態から、酸素ボンベ17からガス流量調節器15で流量調整しながら酸素ガス導入口1aを通してイオン発生容器2内に、酸素ガスを約100〜1000sccm程度の流量で導入し、イオン発生容器2内を1.3×102Pa程度に設定する。
【0012】
上記の条件によって、イオン発生容器2内に導入された酸素ガスが電極4を通して、固体電解質としてのアルミナ・カルシウムからなる酸素マイナスイオン放出部1a内に充填される。酸素マイナスイオン放出部1a内では、酸素の大部分はO2-として存在しているが、酸素マイナスイオン放出部1aが加熱されることによって、酸素マイナスイオン放出部1a内に充填された酸素(O2)に電子が1個付与されてO2-からO-に変換される。
【0013】
この状態で、直流電源6から負極性(マイナス)の直流電圧を導線5を介して電極4に印加することによって酸素マイナスイオン放出部1a中に電界が形成され、酸素マイナスイオン(O-)が背面側から表面(引出し電極7側)にイオン伝導で移動する。そして、酸素マイナスイオン放出部1aの表面に移動した酸素マイナスイオン(O-)は前方(引出し電極7側)に向けて真空中に放出され、引出し電極7に設けた多数の微細孔を通過して真空チャンバー21内に放出される。
【0014】
このようにして取り出された酸素マイナスイオン(O-)は、磁気デバイスの酸化プロセス、あるいは半導体製造の酸化プロセスやレジスト剥離、あるいはディスプレイデバイス用の透明導電膜に対する酸化プロセス、あるいは化学分野での殺菌等に用いることができる。
【0015】
【特許文献1】
特願2002−171631号(図1)
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図2に示した従来の酸素マイナスイオン発生装置100は、ハロゲンランプ12と石英柱9によって酸素マイナスイオン発生部材1の内周側から酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(引出し電極7と反対側)を加熱する構成であるが、このような構成では酸素マイナスイオン放出部1aの厚み(数mm)を通してその表面側に熱が伝わることによって熱損失が生じ、酸素マイナスイオン放出部1aの表面側(引出し電極7側)の温度はその背面側よりも大幅に低くなる(例えば約200℃低下)。
【0017】
また、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(引出し電極7と反対側)に伝わった熱は、中心部側からその周辺部に伝わって加熱されることによって熱損失が生じ、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側の中心部とその周辺部との間での温度差が大きくなり、曲げ応力が発生する。即ち、酸素マイナスイオン放出部1aの中心部側では引張り応力が発生し、酸素マイナスイオン放出部1aの周辺部では形状を保持するために圧縮応力が発生する。例えば、ハロゲンランプに300W投入することで背面側の中心部付近の温度は約800℃に達するが、その時の背面側の周辺部の温度は約660℃であり、中心部と周辺部で約140℃もの温度差がついている。
【0018】
図3は、図2に示した酸素マイナスイオン発生装置100において、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(引出し電極7と反対側)を加熱した際の酸素マイナスイオン放出部1aに作用する応力(引張り応力、圧縮応力)と酸素マイナスイオン放出部1aの中心から径方向の距離との関係を示す実験結果である。なお、酸素マイナスイオン放出部1aの厚みは3mm、半径は11.5mm、酸素マイナスイオン発生部材1側面の厚みは2mmである。図3の横軸は、酸素マイナスイオン放出部1aの中心から径方向の距離(mm)、縦軸は、酸素マイナスイオン放出部1aに作用する応力(Pa)であり、応力のプラス(+)は圧縮応力、マイナス(−)は引張り応力を表している。
【0019】
図3において、aは図4に示す酸素マイナスイオン放出部1aの表面における応力分布、bは図4に示す酸素マイナスイオン放出部1aの表面と背面間の中間部における応力分布、cは図4に示す酸素マイナスイオン放出部1aの背面における応力分布である。この実験結果からも明らかなように、酸素マイナスイオン放出部1aの中心部付近では引張り応力が最も大きくなり、酸素マイナスイオン放出部1aの周辺部では圧縮応力が発生している。
【0020】
このように、酸素マイナスイオン放出部1aの周辺部に圧縮応力が発生し、酸素マイナスイオン放出部1aの中心部に引張り応力が発生すると、酸素マイナスイオン放出部1aに曲げ応力が生じることによって酸素マイナスイオン放出部1aにひび(クラック)が入ったり、酸素マイナスイオン放出部1aが破断してしまう場合があった。
【0021】
また、上記したように、酸素マイナスイオンが放出される酸素マイナスイオン放出部1aの表面側(引出し電極7側)の温度の方が低くなると、酸素マイナスイオン放出部1aから酸素マイナスイオンが放出され難くなったり、酸素マイナスイオン放出部1aから酸素マイナスイオンが放出されなくなる場合があった。
【0022】
つまり、酸素ガスの供給側である酸素マイナスイオン放出部1aの背面側の方の温度が高くなると、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(酸素ガス供給側)がその表面側(引出し電極7側)に比較して酸素マイナスイオン(O-)が少なくなる。即ち、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(酸素ガス供給側)がその表面側(引出し電極7側)に対してプラス(正)電位となる。
【0023】
図2に示した従来の酸素マイナスイオン発生装置100を使用して酸素マイナスイオンが放出されなかったときにおいて、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(酸素ガス供給側)の電圧を測定したところ、+0.2Vとなっていた。つまり、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(酸素ガス供給側)がその表面側(引出し電極7側)に対してプラス(正)電位となるために、酸素マイナスイオン放出部1aの表面側(引出し電極7側)にイオン伝導できなくなり、酸素マイナスイオン(O-)が放出されなくなる。
【0024】
そこで本発明は、固体電解質からなる酸素マイナスイオン放出部材を加熱する際に、酸素マイナスイオン放出部材の中心部と周辺部との間での温度差が大きくなることを防止して、酸素マイナスイオン放出部材に曲げ応力が発生するのを抑制し、酸素マイナスイオン放出部材にひびや破断が発生するのを防止することができる酸素マイナスイオン発生装置を提供することを目的とする。
【0025】
また、本発明は、固体電解質からなる酸素マイナスイオン放出部材を加熱する際に、酸素マイナスイオンが放出される酸素マイナスイオン放出部材の表面側(引出し電極側)の温度の方が低くなることを防止して、酸素マイナスイオンを良好に放出することができる酸素マイナスイオン発生装置を提供することを目的とする。
【0026】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、固体電解質からなる酸素マイナスイオン放出部材と、前記酸素マイナスイオン放出部材の酸素マイナスイオン放出側の表面と反対側の背面に付着した多数の微細孔を有する導電性の第1電極と、前記酸素マイナスイオン放出部材の表面側の前方に設けた多数の微細孔を有する導電性の第2電極と、前記酸素マイナスイオン放出部材を加熱する加熱手段と、真空状態とした前記酸素マイナスイオン放出部材の背面側に酸素ガスを導入する酸素ガス導入手段と、を備え、前記第1電極にマイナス極性の電圧を印加すると共に、前記第2電極側を前記第1電極側よりもプラス電位側に高い電位に設定し、前記加熱手段で前記酸素マイナスイオン放出部材を所定温度に加熱すると共に、真空状態の前記酸素マイナスイオン放出部材の背面側に前記酸素ガス導入手段により酸素ガスを導入することによって、前記酸素マイナスイオン放出部材中で酸素マイナスイオンを発生させ、発生した酸素マイナスイオンを、前記酸素マイナスイオン放出部材の表面側から前記第2電極の微細孔を通過させて前記第2電極の前方に放出する酸素マイナスイオン発生装置において、前記加熱手段は、前記酸素マイナスイオン放出部材の背面側から加熱を行う第1加熱手段と、前記酸素マイナスイオン放出部材の表面側から加熱を行う第2加熱手段とを有していることを特徴としている。
【0027】
また、前記酸素マイナスイオン放出部材は円板状に形成されており、円筒状に形成された固体電解質からなる酸素マイナスイオン発生部材の一方の先端を封止するようにして一体的に設けられていることを特徴としている。
【0028】
また、前記第2加熱手段は、前記酸素マイナスイオン放出部の外周近傍に近接して設置した円環状の加熱ランプであることを特徴としている。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【0030】
図1は、本発明の実施の形態に係る酸素マイナスイオン発生装置を示す概略断面図である。なお、図2に示した従来の酸素マイナスイオン発生装置と同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【0031】
本発明の実施の形態に係る酸素マイナスイオン発生装置30は、図1に示すように、円筒状の酸素マイナスイオン発生部材1の酸素マイナスイオン放出部1aがある先端側の外周に、酸素マイナスイオン発生部材1の外周面と数mmの隙間を設けてリング状のハロゲンランプ(以下、サークルランプという)22が設置されている。サークルランプ22の側面及び背面の周囲にはリフレクター23が設置されており、サークルランプ22とリフレクター23は支持部材24でイオン発生容器2に支持されている。
【0032】
また、図2に示した従来例と同様に、円筒状の酸素マイナスイオン発生部材1の内側に隙間を設けて石英柱9が設置され、イオン発生容器2の外側に露出している石英柱9の後端部に、リフレクター13を備えたハロゲンランプ12が設置されている。他の構成は図2に示した従来の酸素マイナスイオン発生装置と同様である。
【0033】
本実施の形態においても、円筒状の酸素マイナスイオン発生部材1及びその先端に一体に設けた円板状の酸素マイナスイオン放出部1aは、固体電解質としてのアルミナ・カルシウム((CaO)12(Al2O3)7)で形成されている。
【0034】
なお、酸素マイナスイオン発生部材1の酸素マイナスイオン放出部1aが位置する外周上、又は酸素マイナスイオン放出部1aの少し前方の外周上にサークルランプ22を設置する構成にすると、円板状の酸素マイナスイオン放出部1aの表面側(引出し電極7側)の温度をより効果的に上げることができるが、サークルランプ22が引出し電極7に近接することによって、引出し電極7が必要以上に加熱される。よって、本実施の形態では、図1のように、酸素マイナスイオン放出部1aの少し後方側(引出し電極7と反対側)に位置する酸素マイナスイオン発生部材1の外周近傍に近接して設置した。
【0035】
上記構成の本実施の形態に係る酸素マイナスイオン発生装置30は、酸素マイナスイオン発生部材1の酸素マイナスイオン放出部1aと基端側のツバ部1b間の長さ:100mm、酸素マイナスイオン発生部材1の厚み:2mm、酸素マイナスイオン放出部1aの厚み:3mm、酸素マイナスイオン放出部1aの直径:23mm、ハロゲンランプ12の出力:50W、サークルランプ22の直径:10mm、サークルランプ22の出力:160W〜300W、サークルランプ22の内周面と酸素マイナスイオン発生部材1表面間の隙間:3mm、電極4への印加電圧:−100Vに設定されている。
【0036】
本実施の形態における酸素マイナスイオン発生装置30で酸素マイナスイオンを発生させる際には、ヒータ電源11からの通電によりハロゲンランプ12を発熱させると共に、ヒータ電源(不図示)からの通電によりサークルランプ22を発熱させる。
【0037】
ハロゲンランプ12の発熱によってハロゲンランプ12から輻射された赤外光Aはリフレクター13の内面で反射して、石英柱9の内周面で全反射を繰り返しながら伝達されて酸素マイナスイオン放出部1aの背面に形成した電極4に効率よく入射し、電極4と共に酸素マイナスイオン放出部1aの背面側を酸素マイナスイオン発生温度になるように加熱する。ハロゲンランプ12とサークルランプ22の加熱によって、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側の中心部付近は798℃程度となりその周辺部は818℃程度になった。
【0038】
そして、サークルランプ22の発熱によってサークルランプ22から輻射された赤外光はリフレクター23で反射され、酸素マイナスイオン発生部材1の酸素マイナスイオン放出部1aを有する先端付近を加熱する。酸素マイナスイオン発生部材1の外側に設けたサークルランプ22の発熱によって、酸素マイナスイオン放出部1aの表面側が輻射によって酸素マイナスイオン発生温度になるように加熱される。外側のサークルランプ22と内側のハロゲンランプ12による加熱によって酸素マイナスイオン放出部1aの表面側の中心部付近は800℃程度となり、その周辺部は820℃程度となり酸素マイナスイオン放出部1aの背面側よりも少し(約20℃)高くなる。
【0039】
この際、排気ポンプ20を駆動してイオン発生容器2内を1.3×10-3Pa程度に真空排気した状態から、酸素ボンベ16からガス流量調節器15で流量調整しながら酸素ガス導入口1aを通してイオン発生容器2内に、酸素ガスを約100〜1000sccm程度の流量で導入し、イオン発生容器2内を1.3×102Pa程度に設定する。
【0040】
この状態で、直流電源6から負極性(マイナス)の直流電圧(−100V)を導線5を介して電極4に印加することによって酸素マイナスイオン放出部1a中に電界が形成され、酸素マイナスイオン(O-)が背面側から表面(引出し電極7側)にイオン伝導で移動する。そして、酸素マイナスイオン放出部1aの表面に移動した酸素マイナスイオン(O-)は前方(引出し電極7側)に向けて真空中に放出され、引出し電極7に設けた多数の微細孔を通過して真空チャンバー21内に放出される。
【0041】
このように本発明の実施の形態に係る酸素マイナスイオン発生装置30では、ハロゲンランプ12と石英柱9によって酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(引出し電極7と反対側)を加熱し、サークルランプ22によって酸素マイナスイオン放出部1aの表面側(引出し電極7側)を加熱して、酸素マイナスイオン放出部1aの表面側が少し高くなるように加熱することによって、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側と表面側の各々の中心部と周辺部の温度差を小さくすることができる。これにより、酸素マイナスイオン放出部1aに曲げ応力が発生することが抑制され、酸素マイナスイオン放出部1aにひびや破断が発生することを防止することができた。
【0042】
また、上記構成の本実施の形態に係る酸素マイナスイオン発生装置30によって発生する酸素マイナスイオンの放出量を、酸素マイナスイオンの放出量に応じて増減する電流によって測定したところ12μA程度の値が得られ、酸素マイナスイオン放出部1aの表面から酸素マイナスイオンが安定して多数放出されているのが確認された。
【0043】
このように本発明の実施の形態に係る酸素マイナスイオン発生装置30では、酸素マイナスイオン発生部材1の酸素マイナスイオン放出部1aを有する先端側の外周に、サークルランプ22を設置して酸素マイナスイオン放出部1aを表面側からも加熱することにより、酸素マイナスイオン放出部1aの背面側(引出し電極7と反対側)よりも酸素マイナスイオンが放出される表面側(引出し電極7側)の方の温度を少し高くすることができるので、酸素マイナスイオンを安定して多数放出することができる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、酸素マイナスイオン放出部材の酸素イオン放出側の表面と反対側の背面を第1加熱手段で加熱し、酸素マイナスイオン放出部材の酸素イオン放出側の表面を第2加熱手段で加熱することにより、酸素マイナスイオン放出部材の背面側と表面側の各々の中心部と周辺部の温度差が小さくなるように加熱することができるので、酸素マイナスイオン放出部材に曲げ応力が発生することが抑制され、酸素マイナスイオン放出部材にひびや破断が発生することを防止することができる。
【0045】
また、酸素マイナスイオン放出部材の酸素イオン放出側の表面と反対側の背面を第1加熱手段で加熱し、酸素マイナスイオン放出部材の酸素イオン放出側の表面を第2加熱手段で加熱することにより、酸素マイナスイオン放出部材の表面側の方の温度が少し高くなるように加熱することができるので、酸素マイナスイオンを安定して多数放出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る酸素マイナスイオン発生装置を示す概略断面図。
【図2】従来例における酸素マイナスイオン発生装置を示す概略断面図。
【図3】従来例における酸素マイナスイオン発生装置で酸素マイナスイオン放出部の背面側を加熱した際における、その中心から径方向に作用する応力分布を示す図。
【図4】酸素マイナスイオン放出部の応力測定箇所を示す図。
【符号の説明】
1 酸素マイナスイオン発生部材
1a 酸素マイナスイオン放出部(酸素マイナスイオン放出部材)
2 イオン発生容器
4 電極(第1電極)
6 直流電源
7 引出し電極(第2電極)
12 ハロゲンランプ(第1加熱手段)
22 サークルランプ(第2加熱手段)
30 酸素マイナスイオン発生装置
Claims (3)
- 固体電解質からなる酸素マイナスイオン放出部材と、前記酸素マイナスイオン放出部材の酸素マイナスイオン放出側の表面と反対側の背面に付着した多数の微細孔を有する導電性の第1電極と、前記酸素マイナスイオン放出部材の表面側の前方に設けた多数の微細孔を有する導電性の第2電極と、前記酸素マイナスイオン放出部材を加熱する加熱手段と、真空状態とした前記酸素マイナスイオン放出部材の背面側に酸素ガスを導入する酸素ガス導入手段と、を備え、前記第1電極にマイナス極性の電圧を印加すると共に、前記第2電極側を前記第1電極側よりもプラス電位側に高い電位に設定し、前記加熱手段で前記酸素マイナスイオン放出部材を所定温度に加熱すると共に、真空状態の前記酸素マイナスイオン放出部材の背面側に前記酸素ガス導入手段により酸素ガスを導入することによって、前記酸素マイナスイオン放出部材中で酸素マイナスイオンを発生させ、発生した酸素マイナスイオンを、前記酸素マイナスイオン放出部材の表面側から前記第2電極の微細孔を通過させて前記第2電極の前方に放出する酸素マイナスイオン発生装置において、
前記加熱手段は、前記酸素マイナスイオン放出部材の背面側から加熱を行う第1加熱手段と、前記酸素マイナスイオン放出部材の表面側から加熱を行う第2加熱手段とを有している、
ことを特徴とする酸素マイナスイオン発生装置。 - 前記酸素マイナスイオン放出部材は円板状に形成されており、円筒状に形成された固体電解質からなる酸素マイナスイオン発生部材の一方の先端を封止するようにして一体的に設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の酸素マイナスイオン発生装置。 - 前記第2加熱手段は、前記酸素マイナスイオン放出部の外周近傍に近接して設置した円環状の加熱ランプである、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の酸素マイナスイオン発生装置。
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